解特集 : PC 構造物の非破壊検査技術

説

既存 PC 橋の残存プレストレス測定技術の現状— 光学的計測法を用いた応力解放法による測定 —松田浩＊1・出水享＊2・伊藤幸広＊3・肥田研一＊4

プレストレストコンクリート橋において，プレストレスの管理は維持管理のためには欠かせない項目である。プレストレスの減少は耐荷力に大きく影響し，安全性の低下に繋がる。PC 橋を補修・補強設計を通じて適切に維持管理するためには，プレストレス量を正確に把握することが必要不可欠となる。本稿では，光学的計測法であるデジタル画像相関法を用いた応力解放法によるプレストレス量の測定法について紹介する。
キーワード：PC 橋，プレストレス，応力解放法，光学的全視野計測装置，デジタル画像相関法
要であるにもかかわらず，施工初期時において PC 鋼材緊

1．は じ め に張力管理が実施されているのみであり，定期的かつ定量的なプレストレス量の管理は行われていないのが現状である。

プレストレストコンクリート（以下，PC）構造物は高強度で密実なコンクリートを使用するので，耐久性が高い

既存 PC 橋のプレストレスト量の把握に関しては，応力構造である。しかし，PC 構造物においても種々の変状が解放法の原理を用いた手法が提案されている。本稿では，生じている。たとえば，ポストテンション PC 橋において，ひずみ計測精度の向上を目的として開発したスキャナ装置グラウト充填不良 1 ）や塩害 2 ）等が原因で PC 鋼材が腐食・を用いて，応力解放法による現有作用応力計測技術，プレ破断し，それに起因する異常ひび割れや落橋事故 3 ） も報

テンション PC 桁を用いた精度検証実験ならびに実橋梁へ告されている。さらに，想定外のクリープ・乾燥収縮によの適用事例について紹介する。

りプレストレスが減少し，異常たわみ 4 ） が発生すること

2．応力解放法もある。
道路橋の約 4 割に使用されている PC 橋 5 ）において，プ既設コンクリート構造物の応力計測には，主に応力解放

レストレス量の管理は，維持管理のためには欠かせない項法を応用した計測法が多く用いられている。応力解放法目である。PC 橋においてプレストレス（現有作用応力）

は，元来，鉱山業界で岩盤などに作用する応力を計測するの減少は，直接耐荷力に大きく影響し，安全性の低下に繋方法として開発されたものである。応力解放法の原理は，がる。したがって，PC 橋を補修・補強設計を通じて適切応力を受けている岩盤にスリットやオーバーコアなどで応に維持管理していくためには，プレストレス量を正確に把力を解放し，解放されたひずみや変形を計測することで応握することが必要不可欠となる。

力解放前の初期応力を算出する方法である。代表的な計測

一方，これまでに建設された PC 橋の中には，設計図書方法をあげると，孔径変化法 6 ），孔壁ひずみ法 7 ），円錐孔が保存されておらず，設計時の応力状態が不明な橋梁も数

底法 8 ） などがある。この応用例として，コンクリート構多く存在する。さらに，設計図書が保存されていたとしても，造物においては，スロットストレス法 9 ），鉄筋切断法 10），設計で考慮された応力状態にない PC 橋も多く存在する。

コア応力解放 11）が適用されている。その中でもコア応力

既設 PC 橋の点検において，プレストレス量の管理は重解放法 12，13）は，もっとも多く研究・利用されている測定＊1

Hiroshi MATSUDA
長崎大学大学院
工学研究科教授

Vol.56, No.6, Nov. 2014

＊2

＊3

Akira DEMIZUYukihiro ITO

佐賀大学大学院
工学系研究科 教授

長崎大学大学院
工学研究科 技術職員

25

＊4

Kenichi HIDA㈱ K&Tこんさるたんと代表取締役社長

特集 / 解説法である。

サブセット

変位方向

変位量⒝

変形後

3．スリット応力解放法開発した測定法（以下，スリット応力解放法）は，①
ひずみ測定精度向上のためにスキャナタイプ全視野ひずみ計測装置（以下，スキャナ装置）を用いたこと，② 合理的な切削方法，③ 応力解放ひずみの新しい評価法，④ 現⒜有作用応力を測定するための解析手法，に特徴がある。
3.1

変形前

図- 1

スキャナ装置 14）

変形前と変形後のデジタル画像

スキャナ装置の外観を写真 - 1 に示す。スキャナ装置の画像を読取る方法は，パソコンに接続したスキャナ装置

い点を中心として，ある画素数だけ離れた点の変位を基を計測対象物の表面に密着させ，ラインセンサを平行に走に，変形後の二点間の長さの変化を求め，計測点のひずみ査し，二次元画像を取得するという簡易な方法である。スとする解析手法である。水平ひずみ，垂直ひずみ，斜めひキャナ装置によると収差のない二次元画像を取得できる。

ずみ，最大主ひずみ，最小主ひずみを求めることが可能

また，ラインセンサの横に光源を配置することにより，屋で，また，任意にゲージ長を指定して解析することができ外においても外乱光の影響を受けることなく計測できる。

る。

さらに，計測対象物に取付けた固定具にスキャナ装置を固3.3

現有作用応力の算定法定するためブレのない画像を得ることができる。スキャナ

スリット応力解放法では，まず，応力の作用方向に対し装置の 4 隅には焦点調整ネジや焦点距離（計測距離）を確て直角に深さ約 20 〜 30 mm のスリットをコンクリートカ認するためのマイクロメーターを設置し，焦点距離をつねッターで切削する。スリット切削により，解放ひずみを均に一定に保つことができ，再現性の高い画像が得られる。

一に発生させることができ，ひずみの評価がしやすくなる。
次に，スキャナ装置を用いてスリットを中心とした 2 点間の距離の変化率（以下，2 点間距離変化率，図 - 2）を計固定治具測し，これを解放ひずみと称する。本法により，スリット近傍を含め計測面全域のひずみを計測することができる。
スリット

計測面

写真 - 1

スキャナ装置

L2：解放後
L1：解放前スキャナ装置の読取り解像度は 1 200 dpi であるため，2 点間距離変化率（ε）／ L1
ε=（L1−L2）

画像内の 1 pixel の一辺サイズは約 21.1μm となる。また，読取範囲（210 × 210 mm）を 1200 dpi で計測すると，約1 億 pixel で構成される高解像度の画像を取得できる。応図- 22 点間距離変化率

力解放ひずみの計測は，応力解放前後のコンクリート表面画像を用いてスキャナで計測し，デジタル画像相関法

つづいて，測定対象物の FEM モデルを作成し，作用応（Digital Image Correlation Method：以後 DICM）を用いて力を変化させて解析し，計測値に最も一致する 2 点間距離算出する。

変化率を現有作用応力として推定する。

3.2

デジタル画像相関法（DICM）

スリット応力解放法の計測手順を以下に示す。

15）① 鉄筋探査により計測位置と切削深さを決定する。

DICM の解析原理は，デジタル画像の輝度値が一般的に256 濃度階調で表現されることを利用したものである。ま② ひずみ計測位置を洗浄液（アセトン等）にて洗浄する。

ず，変形前の画像において，任意の点（1 pixel）を中心と③ 測定面にスプレーを用いて DICM の解析時に必要なランダムパターンを設ける。

した N×N pixel の任意領域（サブセット）を指定する（図- 1 ⒜）。計測対象物に変位を与えると，変形後の画像で④ スキャナ装置により，切削前（応力解放前）のコンクサブセットの位置は移動する（図 - 1 ⒝）。変形後のサブリート表面の計測を行う（初期画像，写真 - 2 ⒜）。

セットを対象に，変形前のサブセットの輝度値分布と高い⑤ 桁軸直角方向にコンクリートカッターで幅 2 mm，深さ相関性を示すサブセットを数値解析で探索する。このサブ約 20 〜 30 mm のスリットを切削する（写真 - 2 ⒝）。

セット中心の点の移動より変位の方向と大きさを算出す⑥ スキャナ装置により切削後（応力解放後）のコンクリる。この処理をすべての小領域で繰り返すことによって，ート表面の計測を行う（変形画像，写真 - 2 ⒜）。

計測全域の変位データを得ることができる。

⑦ 初期画像と変形画像により DICM で解析し，解放ひずひずみは求めた変位データを利用して算出する。求めたみを算定する。

26

プレストレストコンクリート

特集 / 解説
距離変化率（μ）

スリット中心からの距離（mm）⒜

スキャナ装置設置

写真 - 2⒝005101520−2 000−4 000−6 000−8 000

スリット切削DICM
FEM−10 000

計測状況−12 000

図- 4⑧ 測定対象物の FEM モデルを作成し，FEM 解析によりプレストレス量の計測及び解析結果逆解析を行い，現有作用応力を推定する。

4．プレテンション PC 桁を用いた計測精度の検証
4.1

実験概要

スリット応力解放法の精度を確認するために，プレストレス導入量が既知のプレテンション PC 桁（JIS 桁）を用いて現有作用応力推定の実証実験を行った。実験では，作業性を考慮してプレテンション PC 桁の下縁側を上向きに反転し，5 点支持で設置し，その上面側で試験を行った。
図 - 3 にプレテンション PC 桁の概要図を示す。なお，実

写真 - 3

対象橋梁

表- 1橋梁諸元験では，載荷試験後のプレテンション PC 桁を使用したた
め，スリット応力解放法は，ひび割れの影響を受けない箇所を選定して行った。
4.2

適用
示方書
設計荷重
橋長有効幅員斜角設計
基準強度

プレストレス量の推定

スキャナ装置での測定結果および FEM により逆解析し算出した 2 点間距離変化率分布を図 - 4 に示す。図よりスリット近傍でひずみが解放されているのが確認できる。
FEM による逆解析は，測定対象物の FEM モデルを作成し，作用応力を変化させて解析し，測定値にもっとも一致する

昭和 39 年 RC 道路橋示方書
昭和 43 年 PC 道路橋示方書
TL-20
22.200 m
10.750 m
81°20′12″〜 80°39′37″
主桁σck ＝ 40 N/mm2
床版，横桁σck ＝ 24 N/mm2
PC 鋼材 12-Φ7
鉄筋 D295 σsa ＝ 140 N/mm2

鋼材

2 点間距離変化率を作用応力とした。なお，解析では，コンクリートの静弾性係数は設計値（3.3 × 10 N/mm ）を，
42

調査橋梁は昭和 47 年に建設され，構造形式はポストテン

スリット切削幅と深さはノギスによる計測値を用いた。
2スキャナ装置による計測値と FEM において 8.12 N/mm

ション PC 単純合成 I 桁橋（5 主桁）である。本橋は平成作用させた逆解析値はほぼ一致する。PC 桁のプレストレ

12 年の点検で主桁に変状が確認されたため，現在，定期スの設計値は 9.03 N/mm2 であり，推定値と若干の差異が的に追跡調査が実施されている。変状は主桁の下フランジあるが精度よく推定できている。

およびウェブに橋軸方向ひび割れが確認されている。雨水の影響を受ける外桁にひび割れが顕著に確認され，ひび割

5．実 PC 橋への適用
5.1

れ幅や長さが大きいことからひび割れの発生原因はアルカ

調査概要

リシリカ反応（以下，ASR）と推察される。

写真 - 3 に示す調査橋梁の構造諸元を表 - 1 に示す。

本調査では，ASR により膨張圧を受けている主桁の応700
PC 鋼材

上縁400400

下縁PC 鋼材680
側面図- 3Vol.56, No.6, Nov. 2014

断面

プレテンション PC 桁（mm）27

特集 / 解説表- 2

力状態を把握するために，G4，G5 主桁の橋軸方向の現有有効プレストレス量（N/mm2）

作用応力計測を行った。計測箇所は，スパン中央から A2方向に約 2.3 m 地点の下フランジである。
5.2

G4 桁
3.49-9.45
12.94
13.56
95.4 ％-4.47-0.98① 現有作用応力（計測値）② 死荷重合計③ 有効プレストレス計測値（① - ②）
④ 有効プレストレス設計値⑤ 計測値 / 設計値 ③ / ④⑥ 活荷重（設計値）⑦ 活荷重時（計測値）① + ⑥調査結果

スリット切削前後の画像から DICM によって解析した 2点間距離変化率分布を図 - 5 に示す。計測した 2 点間距離変化率分布を基に部材に作用している応力を求めるために，2 次元線形 FEM 解析を行った。現有作用応力を算出する際には，設計値の静弾性係数（3.2 × 104 N/mm2）をG5 桁
4.71-9.45
14.1613.56
104.4 ％
-4.470.24＋圧縮応力，−引張応力用いた。逆解析して求めた G4 主桁と G5 主桁の橋軸方向の 2 点間距離変化率分布も図 - 5 に併せて示す。

距離変化率（μ）

0

スリット中心からの距離（mm）
510150て，デジタル画像相関法を用いたひずみ計測とスリット切断による応力解放法による測定技術を紹介した。PC 橋の残存プレストレス量の経時変化データは，PC 橋の維持管20理において必要不可欠事項である。そのためにも本計測法の簡便化，省時間，省力化，低コスト化を進めていきたい。

−1 000−2 000

参考文献−3 0001 ）鳥取誠一ほか：PC グラウト充填不良に対する補修，プレストレ−4 0002 ）木村嘉富ほか：塩害に対する PC 道路橋の維持管理と設計へのFEM−5 0000スト・コンクリート，Vol.45，No.2，pp.84-89，2003

DICM

⒜

No.2，pp.43-48，2010

スリット中心からの距離（mm）
510150フ ィ ー ド バ ッ ク， プ レ ス ト レ ス ト・ コ ン ク リ ー ト，Vol.52，

G4 桁3 ）Jwoodward. R., et-al. : Collapse of Ynys-y-Gwas bridge, West
Glamorganm Structural Engineering Groupe Proc. Instb Civ. Engrs,

20Part 1, pp.635-669, 1998

距離変化率（μ）−1 0004 ）吉田健太郎ほか：大仁高架 2 号橋のクリープ・乾燥収縮計測に−2 000基づいた免震支承の後ひずみ調整計画，コンクリート工学年次−3 000

論文集，Vol.24，No.1，pp.465-470，2002
5 ）道路統計年報 2013，国土交通省，2013−4 000−5 000

交異方性岩盤における初期応力計測法および解析方法，土質工学会論文報告集，Vol.18，No.1，1978−7 000

図- 56 ）岡林信行ほか：地下空洞掘削における地山初期応力について直DICM
FEM−6 000⒝7 ）Int. Soc. for Rock Mechanics, Commission on Testing Methods :G5 桁

Suggested method for in-situ stress measurement using the compact

プレストレス量の計測及び解析結果

conical-ended borehole overcoring（CCBO），Int. J. Rock Mech.
Min. Sci. & Geomech., Vol.36, pp.307-322, 1999
8 ）小林昭一ほか：改良円錐孔底法による地山応力計測，材料，スリットから 4 〜 8 mm 間で計測値が乱れ，8 〜 100 mm

Vol.52，No.5，pp.500-504，2003

間では，解析値と計測値は一致している。スリット近傍の9 ）浅井計測値の乱れは ASR の膨張力の影響を受けていると考え

洋ほか：フラットジャッキを併用した応力解放法による

コ ン リ ー ト 部 材 の 現 有 作 用 応 力 計 測， コ ン ク リ ー ト 工 学，られる。計測値はプレストレスによるひずみの解放とVol.42，No.4，pp.26-32，2004

ASR の膨張応力の解放ひずみの両者を含んでいる。これ

10）横山和昭ほか：鉄筋切断法による実 PC 橋の残存プレストレスらのひずみ量を分離できれば，残存膨張量などの ASR が計測に関する検討，プレストレストコンクリートの発展に関するシンポジウム論文集，No.13，pp.501-504，2004

生じた PC 橋梁の維持管理に有用な情報になると考えられ

11）種るが，データ量が少ないため，これに関しては今後の研究

健，鈴木拓雄，深沢且典，清水秀樹：コンクリート構造物の現有応力の連続的計測法，土木学会論文集，No.735，Ⅵ-59，課題である。

pp.197-202，2003

表 - 2 に G4，G5 主桁の橋軸方向の現有作用応力計測結12）加藤暢彦：コンクリート構造物の現存応力の計測法に関する研果と結果から算出した有効プレストレス量を示す。また，究，構造工学論文集，42A，pp.333-340，1996

有効プレストレス量の設計値も合わせて示す。表より有効

13）二井谷教治ほか：コンクリート部材の有効応力の計測手法に関する研究，コンクリート工学論文集，Vol.20，No.2，pp.27-37，

プレストレス量における計測値 / 設計値は，G4 主桁：95.42009％，G5 主桁：104.4 ％となり，有効プレストレス量の大き14）伊藤幸広ほか：技術開発最前線な減少は確認されなかった。また，活荷重時の応力状態か全視野ひずみ計測装置による施工・維持管理，土木技術，Vol.66，No.4，pp.48-53，2011

ら耐荷力を十分保有していることが確認された。

15）松田浩ほか：光学的全視野計測技術による建設構造物の劣化・変状メカニズムの解明と診断法の開発，平成 18 年度科学研究費

6．お わ り に補助金基盤研究（B），2008，http://hdl.handle.net/10069/14903【2014 年 9 月 2 日受付】

非破壊・微破壊検査を用いたプレストレス測定技術とし

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プレストレストコンクリート